Derin deniz süngeri Euplectella aspergillumVenüs’ün çiçek sepeti olarak da bilinen , karmaşık cam iskeleti ile ünlüdür. Bu yapı dikkate değer mekanik destek sağlar ve güçlü, hafif köprüler ve gökdelenler nesline ilham kaynağı olmuştur.1. Besin parçacıklarını filtrelemek ve gaz alışverişi yapmak için su, gözenekler yoluyla süngerin merkezi vücut boşluğuna sürekli olarak çekilir ve çıkar. Sünger iskeletinin mekanik özellikleri iyi belgelenmiş olmasına rağmen, organizmanın etrafında ve içinden geçen ayrıntılı sıvı akışı hakkında çok az şey bilinmektedir. içinde bir kağıt Doğa, Falcuci ve diğerleri.2 bu akışları çözmek için son teknoloji akışkanlar dinamiği simülasyonlarını kullanın. Elde ettikleri sonuçlar, süngerin yapısal elemanlarının organizma üzerindeki hidrodinamik kuvvetlerin etkisini azalttığını ve beslenme ve cinsel üreme için kullanılabilecek iç dolaşım kalıpları oluşturduğunu göstermektedir.
iskeleti E. aspergillum diyagonal olarak güçlendirilmiş ve süngerin içi boş silindirik gövdesi için iskele oluşturan düzenli bir kare kafesten oluşur3 (Şek. 1). Ek olarak, dış sırtlar ana gövdenin etrafında spiral oluşturur ve kafes üzerine bindirilir. Her bir iskelet bileşeninin sıvı akışları üzerindeki etkisini bozmak için Falcucci ve meslektaşları, karşılaştırma için birkaç idealleştirilmiş sünger modeli üretti. Bu modeller düz bir katı silindir, sarmal çıkıntılara sahip katı bir silindir, içi boş silindirik bir kafes ve sarmal çıkıntılara sahip içi boş bir silindirik kafes içeriyordu.
Bu farklı modeller için akışkan akışlarının belirlenmesi, son derece hassas akışkanlar dinamiği simülasyonları gerektiriyordu. Bunlar aynı anda iskelet etrafındaki mikroskobik akışlardan tüm organizmanın etrafındaki toplu akışlara kadar bir ayrıntı düzeyini çözebilir. Bunları yapmak için silico’da uygulanabilir deneyler, Falcucci ve diğerleri. Bu tür akışları yöneten denklemleri, grafik işleme birimleri olarak adlandırılan elektronik devrelerde paralel hesaplamaya özellikle uygun olan bir yöntem kullanarak sayısal olarak çözdü.4. Ayrıca yazarlar simülasyonları dünyanın en güçlü süper bilgisayarlarından biri olan Marconi100 üzerinde çalıştırdılar (bkz. go.nature.com/3hzrzjp).
Saniyede 1-10 santimetre veya daha fazla su akışında, katı silindirlerin kabaca E. aspergillum girdap dökülmesine maruz kalmak5 — bir nesnenin akış aşağı tarafında tekrar eden dönen girdap modellerinin oluştuğu bir süreç. Bu fenomen, silindirin ardından büyük hız dalgalanmalarının yanı sıra değişen ve artan hidrodinamik sürtünme ile sonuçlanır. Falcucci ve meslektaşlarının silico’da deneyler, içi boş silindirik bir kafesin, bu tür hız dalgalanmalarını bastıran ve sürtünmeyi azaltan gözenekli bir nesne gibi davrandığını gösterdi. Hidrodinamik kuvvetlerin bir deniz süngerini yerinden oynatmaya yetecek kadar güçlü olabileceği göz önüne alındığında, azaltılmış direnç, güçlü akışların varlığında organizmanın sağlamlığını artırır.
Yazarlar ayrıca sarmal çıkıntıların dahil edilmesinin silindirin merkezi boşluğunda düşük hızlı girdap yapıları oluşturduğunu da bulmuşlardır. İçin E. aspergillum, bu tür akış yapıları muhtemelen plankton ve süngerin vücut boşluğu arasındaki karşılaşma oranını artırarak gıda parçacıklarının yakalanmasını iyileştirir. Benzer şekilde, bu yapılar serbest yüzen sperm ve tutulan yumurtalar arasındaki teması artırabilir ve böylece üreme verimliliğini artırabilir.
Bunlara rağmen silico’da deneyler, sıvı akışı hakkında bilinenleri büyük ölçüde geliştirdi. E. aspergillum, hala anlaşılmayan çok şey var. Örneğin, Falcucci ve diğerleri. süngerin dış sarmal sırtlarının, parçacıkların merkezi boşlukta kalma süresini arttırdığını gösterebildiler. Bununla birlikte, bunun gıda alımına ve gaz alışverişine ne ölçüde yardımcı olduğu ölçülmemiştir. Gelecekteki çalışmalar, boşluktaki düşük hızlı girdap yapılarının belirli şekil ve büyüklükteki parçacıkları seçici olarak nasıl filtreleyebileceğini göz önünde bulundurmalıdır.
Ayrıca, kıl benzeri uzantılarını (kamçı) döverek süngerin içinden sıvı akışını aktif olarak yönlendiren hücrelerin, çevresel olarak yönlendirilen akışlarla nasıl etkileşime girdiği henüz anlaşılmamıştır. silico’da deneyler ayrıca yaklaşan akışın sabit olduğunu ve süngerin sert olduğunu varsayıyordu. Süngerin kararsız akımlardaki deformasyonları muhtemelen yazarlar tarafından ele alınan basitleştirilmiş durumdan farklı hidrodinamik kuvvetler üretir.
Bu çalışma, biyomekanik, temel akışkanlar dinamiği ve biyo-ilhamlı tasarım gibi alanlardaki sorunları keşfetmek için son teknoloji sayısal simülasyonların nasıl kullanılabileceğine dair çarpıcı bir örnek sunmaktadır. Falcucci ve meslektaşlarının sonuçları, deniz omurgasızlarında ve diğer organizmalarda görülen karmaşık yapıların çoğunun sıvı dinamiği için sezgisel olmayan sonuçlara sahip olduğunu göstermektedir. Yazarların yaklaşımı, yalnızca gıda filtreleme, gaz değişimi ve sürtünmeyi azaltma ile ilgili değil, aynı zamanda polen yakalama ve ısı kaybıyla ilgili doğadaki çok çeşitli bulmacalara da uygulanabilir. Örneğin, bu tür çok ölçekli akış simülasyonları, mercan resifleri yoluyla gaz değişiminin hidrodinamiğini anlamak için kullanılabilir.6veya polen yakalamanın aerodinamiği7.
Ayrıca, Venüs’ün çiçek sepetine ilişkin bu çalışma, karmaşık geometrilerin, sürtünme azaltma, mekanik destek ve parçacık filtreleme dahil olmak üzere çoklu işlevler için sıvı akışını nasıl manipüle edebileceğini ortaya koymaktadır. Bu organizmadan öğrenilen dersler, örnekleme ve filtreleme cihazları gibi gelişmiş çok işlevli mühendislik yapılarına ilham verebilir.
Rekabet İlgi Alanları
Yazar, rekabet eden çıkarlar beyan etmemektedir.